Nghiên cứu ảnh hưởng của số thành phần tổ hợp đến kết quả dự báo quĩ đạo bão trên Biển Đông

Nghiên cứu áp dụng hệ thống đồng hóa tổ hợp dựa trên bộ lọc chuyển dạng địa phương Kalman (LETKF - Local Ensemble Transformation Kalman Filter) phát triển cho mô hình khu vực WRF-ARW và module tạo xoáy lý tưởng dựa trên thông số phân tích xoáy bão thật của các trung tâm quốc tế, gọi tắt là hệ thống TC-WRF-LETKF.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu ảnh hưởng của số thành phần tổ hợp đến kết quả dự báo quĩ đạo bão trên Biển Đông TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂNBài báo khoa họcNghiên cứu ảnh hưởng của số thành phần tổ hợp đến kết quả dựbáo quĩ đạo bão trên Biển ĐôngVõ Văn Hòa1*, Dư Đức Tiến2, Đặng Đình Quân2, Mai Khánh Hưng2 1 Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Đồng bằng và Trung du Bắc Bộ; vovanhoa80@yahoo.com 2 Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn quốc gia; duductien@gmail.com; quandangdinh92@gmail.com; maikhanhhung18988@gmail.com *Tác giả liên hệ: vovanhoa80@yahoo.com; Tel.: +84–912509932 Ban Biên tập nhận bài: 10/5/2024; Ngày phản biện xong: 11/6/2024; Ngày đăng bài: 25/11/2024 Tóm tắt: Nghiên cứu áp dụng hệ thống đồng hóa tổ hợp dựa trên bộ lọc chuyển dạng địa phương Kalman (LETKF - Local Ensemble Transformation Kalman Filter) phát triển cho mô hình khu vực WRF-ARW và module tạo xoáy lý tưởng dựa trên thông số phân tích xoáy bão thật của các trung tâm quốc tế, gọi tắt là hệ thống TC-WRF-LETKF. Việc tạo ra các thành phần tổ hợp được triển khai thông qua việc thay đổi các lựa chọn vật lý trong mô hình WRF-ARW gồm: 2 tùy chọn sơ đồ cho tham số hóa đối lưu; 2 tùy chọn cho sơ đồ bức xạ sóng ngắn; 2 tùy chọn sơ đồ tham số hóa lớp biên và 4 tùy chọn cho sơ đồ vi vật lý mây từ đơn giản đến phức tạp. Dựa trên việc tổ hợp các lựa chọn này có thể tạo ra tối đa gồm 32 cấu hình vật lý khác nhau. Nghiên cứu sẽ thử nghiệm với một số cơn bão trên Biển Đông và thay đổi số thành phần vật lý để đánh giá sự ảnh hưởng đến sai số dự báo quĩ đạo bão hạn đến 96 giờ. Kết quả thử nghiệm và đánh giá cho thấy số lượng dự báo thành phần hơn 20, sai số ở hạn dự báo 24-72 giờ được cải thiện hết sức rõ rệt. Đối với các hạn 84-96 giờ, mức độ tác động chưa rõ xuất phát từ việc các mẫu thử của các hạn này còn hạn chế do thời gian tồn tại của bão trên biển Đông thường dưới 3 ngày. Từ khóa: Đồng hóa tổ hợp; Sinh nhiễu vật lý; Trung bình tổ hợp.1. Mở đầu Bão là một trong những hiện tượng thời tiết nguy hiểm và gây tổn hại nhiều nhất về mặtkinh tế ở Việt Nam. Một cách trung bình, hằng năm có khoảng 3-4 cơn bão đổ bộ hoặc gâyảnh hưởng trực tiếp đến khu vực bờ biển Việt Nam [1]. Một trong những thách thức lớn nhấtcủa dự báo bão ở biển Đông Việt Nam là độ bất định cao của quỹ đạo và cường độ [2–7].Mặc dù hiện tại trong nghiệp vụ đã có sử dụng rất nhiều các sản phẩm dự báo bão từ cáctrung tâm khu vực trên thế giới, một điều có thể nhận thấy rõ ràng là kỹ năng dự báo bão vẫnrất hạn chế do các trung tâm dự báo trên thế giới sử dụng các mô hình dự báo khác nhau vớikỹ năng dự báo rất khác nhau và thay đổi liên tục hàng năm [6]. Điều này dẫn đến việc sửdụng sản phẩm dự báo một các hiệu quả cũng vẫn còn nhiều thách thức [8–10]. Trong bối cảnh thay đổi khí hậu toàn cầu, các nghiên cứu gần đây đã cho thấy quỹ đạovà cường độ bão có sự dịch chuyển do các thay đổi trên quy mô lớn của các hoàn lưu khíquyển [1]. Việc có được thêm các thông tin dự báo quỹ đạo từ các sản phẩm mô hình có độchính xác cao đang trở nên ngày càng cấp thiết. Do đặc tính tổ hợp, các dự báo với bộ lọc tổhợp dường như là một sự lựa chọn hàng đầu cho kiểu bài toán dự báo có tính bất định caonhư dự báo bão hay mưa lớn do dự báo tổ hợp không những cung cấp thông tin dự báo choTạp chí Khí tượng Thủy văn 2024, 767, 56-65; doi:10.36335/VNJHM.2024(767).56-65 http://tapchikttv.vnTạp chí Khí tượng Thủy văn 2024, 767, 56-65; doi:10.36335/VNJHM.2024(767).56-65 57từng bản tin mà còn ước lượng được tính bất định tại từng hạn dự báo [10]. Điều này chophép các dự báo viên xác định được độ tin cậy của bản tin tại từng hạn dự báo nhất định. Trong phạm vi nghiên cứu, sẽ áp dụng hệ thống đồng hóa tổ hợp dựa trên bộ lọc chuyểndạng địa phương Kalman (LETKF - Local Ensemble Transformation Kalman Filter) pháttriển cho mô hình khu vực WRF-ARW, bên cạnh đó hệ thống sẽ được đưa thêm vào moduletạo xoáy lý tưởng dựa trên thông số phân tích xoáy bão thật [11–14] của các trung tâm khítượng quốc tế, gọi tắt là hệ thống TC-WRF-LETKF [15–18]. Việc tạo ra các thành phần tổhợp được triển khai thông qua việc thay đổi các lựa chọn vật lý trong mô hình WRF-ARW.Nghiên cứu sẽ thử nghiệm với một số cơn bão trên Biển Đông và thay đổi số thành phần vậtlý để đánh giá sự ảnh hưởng đến sai số dự báo quĩ đạo bão hạn đến 96 giờ.2. Thiết lập hệ thống và phương pháp đánh giá Trong nghiên cứu sử dụng hệ thống mô hình khu vực WRF với nhân động lực ARWphiên bản 3.9.1.1 do Trung tâm dự báo môi trường quốc gia Mỹ (NCEP) phát triển (gọi tắtlà WRF-ARW). Đây là hệ thống mô hình khu vực được áp dụng trong nghiên cứu và nghiệpvụ với các ứng dụng đa dạng từ mô phỏng lý tưởng xoáy, sóng núi đến áp dụng các bài toándự báo thời tiết hoặc các điều kiện thời tiết nguy hiểm như mưa, bão/xoáy thuận nhiệt đới vàđược cộng đồng khoa học hỗ trợ và phát triển. Mô hình WRF-ARW cũng được thử nghiệmvà áp dụng trong nghiệp vụ tại Việt Nam trong các lĩnh vực dự báo thời tiết và dự báo bão[14, 15, 18]. Một trong những đặc tính quan trọng của hệ thống WRF-ARW là cung cấp mộtsố lượng tùy chọn các thuật toán sai phân, các sơ đồ vật lý và các phương pháp đồng hóa sốliệu được phát triển bởi cộng đồng khoa học có uy tín, cho phép các nhà ứng dụng lựa chọnđược các tùy biến phù hợp với khu vực địa phương và đối tượng cần nghiên cứu. Mô hìnhWRF-ARW được nghiên cứu và áp dụng phổ biến tại Việt Nam những năm vừa qua. Tuynhiên, do mô hình WRF-ARW sử dụng trường đầu vào từ các mô hình toàn cầu nên xoáybão trong trường ban đầu thường yếu và bị sai lệch so với thực tế. Dẫn đến kết quả dự báoquỹ đạo bão thường không chính xác. Để khắc phục vấn đề này, thông thường có 2 cách tiếpcận để khắc phục: Sử dụng các sơ đồ cài xoáy bão cho trường ban đầu dựa trên các thông tin quan trắc vềbão tại thời điểm phân tích [13, 14]. Đồng hóa số liệu địa phương để tăng cường khả năng nắm bắt trong trường ban đầu củamô hình WRF [18, 19]. ...